董炳健，趙斐然

(武漢路特斯科技有限公司，湖北 武漢 430090)

0 引言

車輛的載荷譜分析是研究整車及零部件耐久實(shí)驗(yàn)的重要依據(jù)之一。因?yàn)檐囕v工作載荷的隨機(jī)性，定性分析隨機(jī)載荷最有效的方法就是統(tǒng)計(jì)分析法。計(jì)數(shù)法[1]和功率譜法是目前最常用的統(tǒng)計(jì)分析法。在耐久可靠性試驗(yàn)過(guò)程中車輛產(chǎn)生疲勞損傷的主要因素為循環(huán)次數(shù)和載荷輻值，因此采用計(jì)數(shù)法來(lái)計(jì)算載荷更為合適；而目前最為常用的方法是雨流模型計(jì)數(shù)法。

通過(guò)對(duì)車輛試驗(yàn)階段的路譜收集，計(jì)算不同道路對(duì)車輛的損傷值及對(duì)應(yīng)關(guān)系已逐步被各主機(jī)廠及整車試驗(yàn)場(chǎng)所采用[2]。對(duì)車輛道路損傷探測(cè)，一般采用單車循環(huán)采集路譜的形式，但它存在車輛更換及采集道路不同導(dǎo)致結(jié)果穩(wěn)定性差及多車輛共同采集成本過(guò)高的問(wèn)題。因此針對(duì)不同道路對(duì)車輛損傷值進(jìn)行采集并對(duì)比分析[3]，獲得穩(wěn)定且精確的分析數(shù)據(jù)擁有很高的實(shí)用價(jià)值。

本文給出了一種基于雨流模型下的道路損傷計(jì)算方案。首先闡述雨流模型的基本原理[4]，利用NCODE 軟件的雨流模型，采用六分力試驗(yàn)儀采集載荷，通過(guò)軟件模型轉(zhuǎn)換，并循環(huán)計(jì)數(shù)，最后通過(guò)特定公式計(jì)算道路損傷值，再將特定道路損傷值進(jìn)行對(duì)比，得出不同道路載荷的比值關(guān)系。經(jīng)過(guò)實(shí)地可靠性車輛驗(yàn)證，此種方法測(cè)量的不同道路損傷值與實(shí)際損傷比值基本相同，說(shuō)明該研究成果為車輛道路損傷值的測(cè)量提供了新的方法，對(duì)整車及零部件在不同道路的耐久及可靠性分析具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 理論依據(jù)

從微觀層面上分析，整車及零部件的疲勞裂紋產(chǎn)生都與塑性變形直接相關(guān)；從宏觀角度看，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力處于高值，起到主導(dǎo)作用的是彈性應(yīng)變，此時(shí)有較長(zhǎng)的疲勞壽命，零件處于高周疲勞區(qū)。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力處于低值，起到主導(dǎo)作用的是塑型應(yīng)變，相應(yīng)疲勞壽命較短，即部件處于低周疲勞區(qū)[5](圖1)。

圖1 循環(huán)載荷與應(yīng)力-應(yīng)變特性

1.1 Miner 理論

根據(jù)線性疲勞累積損傷理論：處于循環(huán)載荷中的零件，其各個(gè)應(yīng)力之間互不關(guān)聯(lián)，相互獨(dú)立，但疲勞損傷是可以進(jìn)行累積的。當(dāng)累積的損傷到達(dá)其臨界值，零件將發(fā)生疲勞損壞。線性疲勞下的累積理論為Palmgren-Miner理論，一般稱為Miner理論[6]。

1)每個(gè)循環(huán)載荷構(gòu)成的損傷定義為D=1/N，其中N為載荷S對(duì)應(yīng)的疲勞損傷。

2)等幅值載荷下，n個(gè)循環(huán)構(gòu)成的累積疲勞損傷為D=n/N；

3)臨界疲勞損傷Dcr：循環(huán)載荷的累積疲勞損傷值D=Dcr=1時(shí)，此時(shí)發(fā)生疲勞損壞。

1.2 S-N曲線

一種表述外加應(yīng)力S與疲勞壽命N之間關(guān)系的曲線叫做S-N曲線。

經(jīng)驗(yàn)方程：

1)指數(shù)函數(shù)：N·eαs=C。

2)冪函數(shù)公式：Sα·N=C。

其中α、C為材料常數(shù)[8]。

通過(guò)Miner理論，將特定模式下的應(yīng)力循環(huán)數(shù)進(jìn)行累計(jì)，則可評(píng)價(jià)該模式對(duì)車輛的損傷情況。通過(guò)S-N曲線，即可得到應(yīng)力循環(huán)對(duì)車輛的偽損傷值大小[9]。

2 道路載荷的數(shù)據(jù)采集

采用六分力測(cè)試儀采集目標(biāo)道路入力，同一輛車、相同負(fù)荷下，采集比利時(shí)路模式與某綜合測(cè)試路模式的FZ入力數(shù)據(jù)，時(shí)域數(shù)值如圖2、圖3所示。

圖2 不同時(shí)間內(nèi)FZ入力圖譜(比利時(shí)路)

圖3 不同時(shí)間內(nèi)FZ入力圖譜(某綜合測(cè)試路)

將FZ讀取的數(shù)值進(jìn)行數(shù)學(xué)模型處理，目的是將收集到的隨機(jī)應(yīng)力通過(guò)雨流分析法轉(zhuǎn)化為封閉的應(yīng)力循環(huán)，并按照應(yīng)力幅值大小及對(duì)應(yīng)的循環(huán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。雨流計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 雨流計(jì)算結(jié)果

3 偽損傷值計(jì)算

1)計(jì)算應(yīng)力S對(duì)應(yīng)的N值，并生成S-N曲線。

參考相關(guān)文獻(xiàn)[10]可知，Sα×N=C，即N=C/Sα,令A(yù)α=C，則N=C/Sα=Aα/Sα=(A/S)α，α為材料常數(shù)[10]。按S的取值范圍0～10，分別計(jì)算各個(gè)應(yīng)力下的N值。

N=(A/S)α，兩邊取對(duì)數(shù)，得到lgN=α+lg(A/S)。因此在采用對(duì)數(shù)刻度的形式下生成S-N曲線為一條直線，如圖5所示。

圖5 對(duì)數(shù)刻度下的S-N曲線圖

2)道路損傷計(jì)算

由以上公式計(jì)算，即可求得不同道路對(duì)車輛的偽損傷值，進(jìn)而得到不同道路載荷的大小(圖6)。對(duì)比結(jié)果表明：當(dāng)材料常數(shù)取α=3.883 1，C=218.3時(shí)，同樣5 000km測(cè)試路線，比利時(shí)路面的損傷值約為1.41，而綜合耐久路面損傷值約為1；比利時(shí)路的道路損傷為綜合路的1.4倍。

圖6 比利時(shí)路5 000km與綜合路5 000km的道路損傷情況

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文研究了不同道路載荷下的車輛損傷機(jī)理，確定了循環(huán)載荷、外應(yīng)力、疲勞壽命等影響車輛損傷的特性指標(biāo)；

2) 雨流計(jì)數(shù)模型具有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)和發(fā)散能力，可用于分析復(fù)雜的道路載荷數(shù)據(jù)，使分析結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定；

3)基于雨流模型構(gòu)建的循環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)原理，提出了一種道路損傷的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了不同道路損傷值的對(duì)比分析；為車輛耐久及可靠性試驗(yàn)不同路譜下?lián)p傷分析提供了一種新的方法。所提供的模型分析方法同樣可應(yīng)用到其他耐久及疲勞強(qiáng)度分析中，具有廣泛的適用性及實(shí)用價(jià)值。

依據(jù)上述結(jié)論，制定了針對(duì)該車型的試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)范,其總里程為5000 km，實(shí)際測(cè)試時(shí)間為目標(biāo)規(guī)范的60%。試驗(yàn)結(jié)果表明：新規(guī)范下的汽車測(cè)試能夠有效縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，提高可靠性試驗(yàn)準(zhǔn)確性，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。